Reatores nucleares no espaço: TEM

O pico de 20 anos de esforços de pesquisa e desenvolvimento para criar usinas espaciais baseadas em reatores nucleares na URSS foi o satélite Plasma-A esgotado em 1988. Essas plantas foram baseadas na tecnologia de conversão de energia termiônica, depurada no solo (mais de 80 conjuntos de testes foram realizados em reatores de 100 a 16.000 horas). Os esforços, a escala do trabalho e a beleza da ideia foram tão poderosos que, nos próximos 20 anos, você não encontrará nada nos artigos de organizações especializadas que projetaram e planejaram naves espaciais com usinas nucleares, exceto no desenvolvimento de idéias para reatores com conversores de emissão termiônicos. 20 anos de conversa sobre um futuro nuclear e espacial mais brilhante, encerrado em outubro de 2009, quando poucos projetos de desenvolvimento do plasma-A receberam financiamento,e "Módulo de transporte e energia" com conversão de turbomáquinas. E na cabeça do projeto não estavam as pessoas que já haviam se envolvido neste tópico antes. Um dos papéis principais nessa reversão, além dos esforços dos lobistas, foi desempenhado por uma ideia técnica relacionada à liberação de calor no espaço.


AWS JIMO americana, também planejada com um reator nuclear a bordo

É sabido que o peso é o principal inimigo das usinas nucleares espaciais, e os refrigeradores para descargas de calor perdidas são o elemento mais pesado desses dispositivos. No caso de conversores de emissão termiônicos, esse problema é resolvido com bastante elegância - sim, sua eficiência é baixa em comparação com o ciclo da turbina, mas a temperatura dos radiadores dos radiadores pode ser muito alta (cerca de 1000K, e o próprio reator é aquecido a 1650K) e, como lembramos, o peso dos refrigeradores depende da temperatura à potência de 1 / T ^ 4. Como resultado, essa dependência da lei de energia reproduz a quantidade quatro vezes maior de calor que deve ser descarregada da usina nuclear termiônica. Somente se você não tiver a ideia revolucionária de um CI de gotejamento .

A idéia é que, em vez de direcionar o fluido pelos tubos dentro dos painéis radiantes, ele voe direto pelo espaço - desde os modeladores de bicos dos jatos até o eliminador de gotas. Nesse caso, teoricamente, o peso do IC pode ser reduzido várias vezes, e as perdas devidas à evaporação no vácuo são resolvidas pela seleção de um líquido de organossilício especial. Nessa situação, as usinas nucleares termiônicas começam a ter sua “marca de nascença” - uma baixa densidade de potência nas barras de combustível geradoras de eletricidade e uma eficiência de 5 a 8%.

Esse é um conceito de TEM - com conversão de turbomáquinas de energia térmica e geladeiras por gotejamento, proposto pelo Keldysh Center Center em 2009. A inovação da idéia caiu em terreno fértil no auge do “desenvolvimento de inovações no país” pelo presidente Medvedev e multiplicada pela força dos lobistas da Rosatom e pelo chefe do acadêmico do IC Keldysh Koroteyev, foi possível trocar os miseráveis ​​projetos “arcaicos” da RKK Energia, KB Arsenal, OJSC Krasnaya Zvezda do conselho e obter o financiamento estimado.


A primeira versão preliminar do TEM com 4 geladeiras (painéis bege-marrom). Renderização inferior na posição dobrada. c) Energia RKK

Para realizar P&D em 2010, foi lançado um programa no valor de 17 bilhões de rublos, dos quais 7,245 bilhões de rublos foram alocados ao reator, 3,955 no sistema de conversão de energia e cerca de 5,8 bilhões na sonda restante. Eles encomendaram o Instituto NIKIET (o criador do BREST rápido) para fazer o reator nuclear, o sistema de conversão de energia - os IC. Keldysh e toda a espaçonave - RSC Energia.

O aparecimento da primeira edição do TEM atingiu qualquer engenheiro que conhecia o contexto. Um reator rápido de alta temperatura (1600K!), Resfriado a gás, combustível de carbonitreto de urânio (promissor, mas pouco estudado), unidades turbocompressoras operando a 60.000 rpm com uma temperatura na turbina de 1500K por 10 anos continuamente, trocadores de calor para os mesmos 1500K. O design expansível do aparelho tem 54 metros de comprimento e 20 de largura, no estado inicial que se encaixa na carenagem do PH. Sistema elétrico espacial recorde de megawatts com tensão de 4,5 quilovolts, fornecendo 16 sistemas de propulsão elétrica iônica com capacidade de 60 quilowatts (10 vezes mais potente que os que voavam naquele momento e 1,5 vezes mais potente que os detentores de laboratório). Finalmente, a própria espaçonave, que deveria suportar 10 vezes a grande dose de radiação,do que o nível típico atual de 100 kilorad - radiação do reator e das correias de radiação, através das quais as cargas úteis teriam que ser rebocadas.


-2013. —

O projeto começou a se desenvolver, brilhando regularmente com perspectivas e inovações em entrevistas, TV e conferências. A Rosatom assumiu o trabalho com mais rapidez - abandonando rapidamente o combustível de carbonitreto em favor do óxido familiar, um reator nuclear foi projetado, uma mistura de padrão e novo. Em uma caixa cilíndrica de aço inoxidável com um diâmetro de 50 cm e um comprimento de cerca de um metro, estão localizadas várias centenas de barras de combustível cilíndricas contendo óxido de urânio altamente enriquecido em reservatórios de molibdênio monocristal com um diâmetro de 4-5 mm. A massa total estimada de combustível é 80-150 kg, dependendo do desgaste possível. O controle é realizado movendo e estendendo 19 hastes absorventes de um sistema de controle de carboneto de boro em uma concha de molibdênio. Um reator rápido tem uma potência térmica de 3,8 megawatts e é resfriado por uma mistura de gás de 78% de hélio e 22% de xenônio a uma pressão de trabalho de 40 atm. A temperatura da mistura de gás na entrada é 1200 e na saída 1500K (1227 C).


.

A instalação nuclear está sendo desenvolvida por várias empresas da Rosatom, incluindo O IPPE, que desenvolve usinas nucleares espaciais há muitas décadas, o NPO Luch, que possui tecnologias de elementos de combustível de alta temperatura, e o comportamento do reator interno dos elementos de energia nuclear TEM em um loop com uma mistura de gás de trabalho quente foi conduzido pelo NIIAR, que possui a maior frota de reatores de pesquisa do país. Apesar da saída do NIKIET em 2012, o projetista-chefe do reator V.P. O desenvolvimento do reator por Smetannikov continua quase dentro do cronograma: um loop com um novo refrigerante e um elemento de combustível padrão foram testados, uma bancada de testes termo-hidráulicos parcial foi criada e um modelo de usina nuclear terrestre está sendo construído no NITI em Sosnovy Bor. O lançamento desta instalação está planejado para 2015, e esse lançamento será a vitória inquestionável da engenharia nuclear.


Uma versão inicial do reator RUGK para a usina nuclear TEM. (c) Rosatom

Outra cooperação do CI em homenagem a Keldysh, KBHM, KBHA e VNIIEM estavam envolvidos em um conversor de turbomáquina. No TEM, está previsto instalar 4 módulos idênticos com capacidade de 250 kilowatts. O sistema também inclui conversores CA / CC e CC / CC, baterias de reserva, sistemas de refrigeração de equipamentos adicionais. Juntamente com o reator nuclear, a massa da unidade de potência era de 6800 kg.


Esquema e parâmetros da energia nuclear TEM. (c) Keldysh Center:


quadro do vídeo do Centro com o nome de Keldysh com um corte de turbogerador TEM de 250 kilowatts. c) A. Ilyin

A energia térmica é convertida em energia elétrica no ciclo da turbina a gás (Brighton), onde a energia do gás extraído da turbina vai tanto para o gerador elétrico quanto para a rotação do compressor que suporta a circulação de gás. Através do trocador de calor, o calor residual é descarregado no segundo circuito, onde é dissipado no espaço com a ajuda de emissores de geladeira.


Modelo turbogerador de 250 kW TEM 1: 2 (s) Anik

A complexidade do desenvolvimento de elementos de um sistema de conversão de turbomáquinas é comparável à complexidade de um reator. Separadamente, todos os requisitos são viáveis: existem turbinas a gás a temperaturas superiores a 1500K e as turbobombas de motores de foguete que bombeiam hidrogênio têm velocidades de rotação e velocidades periféricas ainda maiores que 60.000 e 500 m / s. No entanto, para coletar tudo de uma vez em combinação com um recurso sem manutenção de 10 anos - o salto estava claramente acima de sua cabeça. Por exemplo, problemas com trocadores de calor a gás de alta temperatura cortam uma direção muito promissora de motores de turbina a gás regenerativos e rolamentos dinâmicos a gás para ausência de peso são bastante difíceis de testar quanto a um recurso em gravidade.


Placas trocadoras de calor TEM. c) A. Ilyin

Em 2013, o Centro de Informações com o nome de Keldysh relatou sucessos na criação de protótipos de todos os elementos mais importantes de um conversor de turbomáquina - dois tipos de trocadores de calor, um gerador e uma unidade de turbina a gás. No entanto, de acordo com os dados mais recentes de pesquisa e desenvolvimento, eles são bastante restritos e o recurso do equipamento está longe de ser necessário. Já no outono de 2013, foi postulado que os frigoríficos por gotejamento estão longe da engenharia e ainda não podem ser desenvolvidos. O ERE iônico recorde prometido desaparece gradualmente - os problemas com eletrodos perfurados de grande porte e com alto recurso, que ninguém no mundo pode resolver, permanece sem solução.


O protótipo do mecanismo de íons TEM do Keldysh Center. Já menor em tamanho em comparação com a ideia original © A. Ilyin


Option TEM com refrigeradores de painel

Além disso, a interação do Centro Keldysh (parte de Roscosmos), liderada pelo acadêmico Koroteev com outras grandes empresas espaciais, é frequentemente prejudicada pela pulverização mútua de lama, o que também não contribui para o progresso. O TEM, lindamente pintado na fase do projeto preliminar, começa a desmoronar na fase de confirmação das características das unidades.


Modelo de um TEM dobrado, verão 2013. Preste atenção aos motores iônicos - havia 24 contra 15 no modelo anterior. Geladeiras ainda estão pingando

Por fim, o trabalho das empresas lideradas pela RSC Energia teve como objetivo criar uma espaçonave adequada, armada com uma fonte de energia nuclear. A Energia foi forçada a assumir a frente do trabalho, o que bloqueou o caminho para o próprio desenvolvimento de um rebocador com a usina termiônica nuclear Hercules, e a frente dos problemas foi maior do que a dos outros dois principais "bunters". Era necessário criar uma espaçonave pesada com todos os elementos tradicionais a bordo - sistemas de orientação e manobra orbital em motores de foguete de hidrazina, painéis solares poderosos e telemetria, sistemas de pouso para carga útil e reabastecimento, tanques de xenônio e finalmente fazê-lo funcionar por 10 anos em condições de radiação. Elementos ainda mais específicos deveriam ter se tornado:
- treliças dobráveis ​​para a remoção de energia nuclear do corpo da espaçonave, com um alongamento no espaço de 2,5 vezes, de 20 a 54 metros;
- as tubulações de refrigerante em expansão e sua vedação - tudo isso deve funcionar sem problemas em condições de vácuo e radiação;
- painéis dobráveis ​​HI com área de centenas de metros quadrados;
- linhas de alta tensão para propulsão elétrica;
- asas dobráveis ​​com propulsão elétrica e emissores de geladeira.


Projeto preliminar do TEM, conforme apresentado pela RKK-Energia

Era necessário que toda essa magnificência fosse empurrada para um máximo de 22 toneladas, que o veículo de lançamento Angara-5 é capaz de transportar. De fato, imediatamente após a emissão do esboço do futuro TEM, a RSC Energia começou a extrair intensivamente o TEM do projeto, tendo descartado algumas das tarefas nos GKNPTs im. Khrunicheva e parte - no Arsenal Design Bureau - dos criadores das naves US-A e Plasma-A. Os representantes do RKK começam a contar em uma entrevista que rebocadores baseados no SB não são tão ruins. O Arsenal, por sua vez, sopra poeira de seus projetos de rebocadores de 300 a 500 kW de usina termiônica.


Seção do reator TEM na versão de projeto técnico. c) NIKIET

No final de 2014, a difícil situação do projeto resulta em seu seqüestro no âmbito do Programa Espacial Federal para 2016-2025. Continua sendo o financiamento da pesquisa e, principalmente, através da linha em que existem alguns resultados - os atuais reatores nucleares e conversores de turbomáquinas. O lançamento do espaço TEM está sendo removido dos planos e vemos como o futuro, em que a humanidade tem novas ferramentas para a exploração do espaço, está derretendo, como nas fotografias em De Volta para o Futuro. Mais uma vez, como no caso de Hércules ou JIMO, a humanidade está recuando, incapaz de superar a barreira técnica à criação de poderosos reatores espaciais.

Source: https://habr.com/ru/post/pt381701/